'Quasares bebês': Telescópio Espacial James Webb detecta pequenos gigantes no passado profundo

O Telescópio Espacial James Webb fez uma das descobertas mais inesperadas no seu primeiro ano de serviço: um elevado número de pequenos pontos vermelhos tênues no Universo distante poderia mudar a forma como entendemos a génese dos buracos negros supermassivos.

Quasar gigante e pequenos pontos vermelhos. Uma imagem NIRCam do Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA (JWST) do quasar luminoso J1148+5251, um buraco negro supermassivo ativo extremamente raro de 10 bilhões de massas solares. A luz do quasar, a fonte laranja em forma de estrela com seis picos de difração claros, foi emitida há 13 bilhões de anos. A existência de tais buracos negros massivos no Universo jovem representa um desafio importante para as teorias de buracos negros e de formação de galáxias. Simultaneamente, a imagem capturou pequenos objetos vermelhos pontiagudos, os chamados pequenos pontos vermelhos. Vários desses objetos aparecem em praticamente todas as imagens profundas do JWST. Tal como o quasar J1148+5251, a luz destes objetos (que nestes casos foi emitida há 12,5 mil milhões de anos) também é alimentada por buracos negros supermassivos. No entanto, estes buracos negros têm uma massa centenas a mil vezes inferior e são fortemente obscurecidos pela poeira (fazendo com que pareçam vermelhos). Os pequenos pontos vermelhos podem representar galáxias que estão numa fase evolutiva anterior à fase luminosa do quasar e, portanto, ajudar os investigadores a compreender a formação e o papel dos buracos negros supermassivos em galáxias distantes. Crédito: NASA, ESA, CSA, J. Matthee (ISTA), R. Mackenzie (ETH Zurique), D. Kashino (Observatório Nacional do Japão), S. Lilly (ETH Zurique)

A investigação, liderada por Jorryt Matthee, professor assistente de astrofísica no Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA), foi agora publicada no The Astrophysical Journal.

Um monte de pequenos pontos vermelhos encontrados numa pequena região do nosso céu noturno pode de fato ser um avanço inesperado para o Telescópio Espacial James Webb (James Webb) durante o seu primeiro ano de serviço. Esses objetos eram indistinguíveis das galáxias normais através dos “olhos” do antigo Telescópio Espacial Hubble.

“Sem ter sido desenvolvido para este propósito específico, o James Webb ajudou-nos a determinar que pequenos pontos vermelhos tênues – encontrados muito longe, no passado distante do Universo – são pequenas versões de buracos negros extremamente massivos. Estes objetos especiais podem mudar a forma como vivemos. pense na génese dos buracos negros,” diz Matthee, professor assistente no Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA), e autor principal do estudo.

“As presentes descobertas podem aproximar-nos um passo da resposta a um dos maiores dilemas da astronomia: de acordo com os modelos atuais, alguns buracos negros supermassivos no Universo primitivo simplesmente cresceram ‘demasiado rápido’. Então como eles se formaram?”

Os pontos cósmicos sem retorno

Os cientistas há muito consideravam os buracos negros uma curiosidade matemática, até que a sua existência se tornou cada vez mais evidente. Esses estranhos poços cósmicos sem fundo poderiam ter massas tão compactas e gravidades tão fortes que nada poderia escapar de sua força de atração; eles sugam qualquer coisa, incluindo poeira cósmica, planetas e estrelas, e deformam o espaço e o tempo ao seu redor de tal forma que nem mesmo a luz consegue escapar.

A teoria geral da relatividade, publicada por Albert Einstein há mais de um século, previu que os buracos negros poderiam ter qualquer massa. Alguns dos buracos negros mais intrigantes são os buracos negros supermassivos (SMBHs), que podem atingir milhões a bilhões de vezes a massa do Sol. Os astrofísicos concordam que existe um SMBH no centro de quase todas as grandes galáxias. A prova de que Sagitário A* é um SMBH no centro da nossa galáxia com mais de quatro milhões de vezes a massa do Sol rendeu o Prêmio Nobel de Física de 2020.

Grande demais para estar lá 

No entanto, nem todas as pequenas e médias empresas são iguais. Embora Sagitário A* possa ser comparado a um vulcão adormecido, alguns SMBHs crescem extremamente rapidamente, engolindo quantidades astronômicas de matéria. Assim, eles se tornam tão luminosos que podem ser observados até os limites do universo em constante expansão. Esses SMBHs são chamados de quasares e estão entre os objetos mais brilhantes do universo.

“Um problema com os quasares é que alguns deles parecem ser demasiado massivos, demasiado massivos dada a idade do Universo em que os quasares são observados. Nós chamamos-lhes ‘quasares problemáticos'”, diz Matthee.

“Se considerarmos que os quasares se originam de explosões de estrelas massivas – e que conhecemos a sua taxa máxima de crescimento a partir das leis gerais da física, alguns deles parecem ter crescido mais rápido do que é possível. -criança velha, com dois metros de altura. Alguma coisa não bate”, explica.

Será que as pequenas e médias empresas poderiam crescer ainda mais rápido do que pensávamos inicialmente? Ou eles se formam de maneira diferente?

Pequenas versões de monstros cósmicos gigantes

Agora, Matthee e seus colegas identificam uma população de objetos que aparecem como pequenos pontos vermelhos nas imagens do James Webb. Além disso, eles demonstram que esses objetos são SMBHs, mas não excessivamente massivos.

Central na determinação de que esses objetos são SMBHs foi a detecção de linhas de emissão espectral Hα com perfis de linhas largas. As linhas Hα são linhas espectrais na região vermelha profunda da luz visível que são emitidas quando os átomos de hidrogênio são aquecidos. A largura do espectro traça o movimento do gás.

“Quanto mais larga for a base das linhas Hα, maior será a velocidade do gás. Assim, estes espectros dizem-nos que estamos a olhar para uma nuvem de gás muito pequena que se move extremamente rapidamente e orbita algo muito massivo como um SMBH,” diz Matthee.

No entanto, os pequenos pontos vermelhos não são os monstros cósmicos gigantes encontrados em SMBHs excessivamente massivos.

“Enquanto os ‘quasares problemáticos’ são azuis, extremamente brilhantes e atingem milhares de milhões de vezes a massa do Sol, os pequenos pontos vermelhos são mais como ‘quasares bebés’. As suas massas situam-se entre dez e cem milhões de massas solares. Além disso, parecem vermelhos porque estão empoeirados. A poeira obscurece os buracos negros e avermelha as cores,” diz Matthee.

Mas, eventualmente, o fluxo de gás dos buracos negros perfurará o casulo de poeira e gigantes evoluirão a partir destes pequenos pontos vermelhos. Assim, o astrofísico da ISTA e a sua equipe sugerem que os pequenos pontos vermelhos são versões pequenas e vermelhas de SMBHs azuis gigantes na fase que antecede os quasares problemáticos. 

“Estudar versões bebês de SMBHs excessivamente massivos com mais detalhes nos permitirá entender melhor como os quasares problemáticos surgiram”, explica Matthee.

Uma tecnologia ‘inovadora’

Matthee e sua equipe conseguiram encontrar os quasares bebês graças aos conjuntos de dados adquiridos pelas colaborações EIGER (Emission-line galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization) e FRESCO (First Reionization Epoch Spectroscopically Complete Observations). Estes são um programa James Webb grande e médio no qual Matthee esteve envolvido. Em dezembro passado, a revista Physics World listou o EIGER entre os 10 principais avanços do ano para 2023.

“O EIGER foi projetado para estudar especificamente os raros quasares supermassivos azuis e seus ambientes. Não foi projetado para encontrar os pequenos pontos vermelhos. Mas os encontramos por acaso no mesmo conjunto de dados.

 Isso ocorre porque, usando a câmera infravermelha próxima do James Webb, o EIGER adquire espectros de emissão de todos os objetos do universo”, diz Matthee. “Se você levantar o dedo indicador e estender completamente o braço, a região do céu noturno que exploramos corresponde a aproximadamente um vigésimo da superfície da sua unha. Até agora, provavelmente apenas arranhamos a superfície.”

Matthee está confiante de que o presente estudo abrirá muitos caminhos e ajudará a responder algumas das grandes questões sobre o universo.

“Os buracos negros e os SMBHs são possivelmente as coisas mais interessantes do universo. É difícil explicar porque estão lá, mas estão lá. Esperamos que este trabalho nos ajude a levantar um dos maiores véus de mistério sobre o universo,” ele conclui.

Fonte: Phys.org